Methoden zum Härten der Oberfläche von Teilen. Oberflächenhärtung von Teilen Methoden zum Härten von Metallen
VERFAHREN ZUR VERSTÄRKUNG VON ROHRSTAHL
Elizaveta Vladimirovna Filipenko
Student Gr. 3 Jahre, GBOU SPO SO „Pervouralsk Metallurgical College“, Pervouralsk
E- Post: Schatz - ev @ Post . ru
Shcherbinina E.V.
Lehrer-Special Disziplinen von VKK, Leiter von Pervouralsk
Metallurgische Industrie- einer der größten Sektoren der Volkswirtschaft und liegt in Bezug auf die Exporteinnahmen an zweiter Stelle nach dem Öl- und Gaskomplex.
In den letzten Jahren hat der Entwicklungsstand der russischen Eisenmetallurgie deutlich zugenommen. Dies ist vor allem auf die erheblichen Finanzinvestitionen zurückzuführen, die von den größten Unternehmen der Branche in die Modernisierung der Produktion gelenkt werden.
Einer der Hauptzweige des metallurgischen Komplexes ist die Rohrproduktion.
Rohre werden industriell aus Metallen und Legierungen, organischen Materialien (Kunststoffe, Harze), Beton, Keramik, Glas, Holz und deren Zusammensetzungen hergestellt.
Rohre dienen dem Transport verschiedener Medien, der Isolierung oder Gruppierung anderer Leitungen. Metallrohre werden häufig im Bauwesen, als Strukturprofil, in Mechanismen – als Welle zur Rotationsübertragung usw. verwendet.
Rohre werden nach Produktionsverfahren klassifiziert (nahtlos gewalzt, extrudiert, geschweißter Stahl und gegossen).
Rohre aus verschiedenen Stahlsorten werden in der Industrie häufig verwendet.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Rohrstahl zu härten, die in der Produktion weit verbreitet sind:
1. Thermomechanische Behandlung besteht aus einer plastischen Verformung von Austenit, gefolgt von einer Verfestigung zu Martensit und niedrigem Anlassen.
2. Oberflächenhärtung besteht darin, die Oberflächenschicht des Stahls über den Ac 3-Punkt zu erhitzen und anschließend abzukühlen, um in Kombination mit einem viskosen Kern eine hohe Härte und Festigkeit in der Oberflächenschicht des Teils zu erreichen. Die Erwärmung zum Härten erfolgt mittels Hochfrequenzströmen, der Flamme von Gas- oder Sauerstoff-Acetylen-Brennern sowie Laserstrahlung.
3. Kältebehandlung Wird durchgeführt, um die Härte von Stahl zu erhöhen, indem der Restaustenit des gehärteten Stahls in Martensit umgewandelt wird. Dies geschieht durch Abkühlen des Stahls auf die Temperatur des unteren Martensitpunktes.
4. Oberflächenverfestigung durch plastische Verformung - Durch Kaltverformung kommt es zu einer Verhärtung der Oberfläche des Teils, wodurch die Dauerfestigkeit erhöht werden kann.
5. Chemisch-thermische Behandlung - Wärmebehandlung von Metallen in verschiedenen chemisch aktiven Umgebungen, um die chemische Zusammensetzung und Struktur der Oberflächenschicht des Metalls zu verändern und so seine Eigenschaften zu verbessern. Zu diesen Behandlungen gehören Zementierung, Nitrocarburierung Nitrieren, Cyanidieren - Ziel: Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit der Bauteiloberfläche; Diffusionsmetallisierung (Alitisieren, Silikonisieren, Verchromen usw.) – Ziel: Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche beim Arbeiten in verschiedenen korrosiven Umgebungen.
Innovative Methoden zur Verstärkung von Rohrstahl.
Kontrolliertes Rollen.
Hierbei handelt es sich um eine Art Prozess der thermomechanischen Hochtemperaturverarbeitung von Stählen und Legierungen, der durch regulierte, abhängig von der chemischen Zusammensetzung, Heizbedingungen des Metalls, Temperatur- und Verformungsparameter des Prozesses und festgelegte Abkühlungsmodi des Metalls in verschiedenen Stufen gekennzeichnet ist der Kunststoffverarbeitung.
Das Ergebnis: Diese Technologie ermöglicht es, optimale Kombinationen von Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften fertiger Walzprodukte ohne den Einsatz von Wärmebehandlung und mit einem geringeren Verbrauch knapper Legierungszusätze zu erzielen.
Das Grundprinzip des kontrollierten Walzens besteht darin, die Austenit- und damit Ferritkörner zu verfeinern, was zu einer gleichzeitigen Erhöhung der Festigkeit und Zähigkeit des Stahls führt.
Das kontrollierte Walzen umfasst drei Stufen zur Herstellung von Rohrstahl: Verformung in der Rekristallisationszone des Austenits, Verformung des nicht kristallisierenden Austenits und Verformung im zweiphasigen Austenit-Ferrit-Bereich. Untersuchungen haben gezeigt, dass beim Walzen in einem Fertiggerüst bei Temperaturen unter Ar 3 die mechanischen Eigenschaften durch Versetzung, Unterstruktur- und Texturverstärkung beeinflusst werden. Die Hauptunterschiede zwischen konventionellem und kontrolliertem Walzen bestehen darin, dass beim kontrollierten Walzen Verformungsbänder die Austenitkörner in mehrere Blöcke trennen. Die Grenze jedes Blocks ist eine Quelle der Keimbildung von Ferritkörnern. Dadurch entstehen aus Austenitkörnern gleicher Größe beim kontrollierten Walzen kleinere Ferritkörner als beim herkömmlichen Warmwalzen, wenn die Keimbildung von Ferritkörnern an den Grenzen der Austenitkörner erfolgt. Darüber hinaus beschleunigt eine Erhöhung der Anzahl aktiver Zentren der Ferritkeimbildung den Umwandlungsprozess, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer Bainitstruktur, die dem Stahl eine geringe Zähigkeit verleiht, verringert wird. .
In der Praxis der Walzfertigung werden Maßnahmen ergriffen, um die Maßhaltigkeit des Teils zu erhöhen:
1) die Verwendung starrer Gerüste, die minimale elastische Verformungen des Walzgerüsts gewährleisten;
2) Verbesserung des Designs von Heizöfen und der Heizqualität, um eine gleichmäßige Temperatur über den gesamten Werkstückquerschnitt und verschiedene Werkstücke aufrechtzuerhalten;
3) die Verwendung einer optimalen Kühlung der Bänder, die den Temperaturanstieg der Walzen unter dem Einfluss der Wärme der erhitzten Bänder und der bei der plastischen Verformung freigesetzten Wärme ausgleicht;
4) Erhöhung der Härte der Arbeitsfläche der Walze;
5) Gleichmäßige Verformung des Metalls in Stärken und Reduzierung des Drucks während des Walzens durch optimale Kalibrierung der Walzen, Verwendung moderner Wälzlager und Flüssigkeitsreibung in Walzgerüsten, Ausrüstung von kontinuierlichen Walzwerken mit permanenten Vorrichtungen zur Steuerung der Spannung zwischen Walzprodukten zwischen den Gerüsten , usw.
Abbildung 1 Schema des Einflusses der Verformungstemperatur beim kontrollierten Walzen auf die Morphologie der Austenitkörner und die Ferrit-Perlit-Struktur in mikrolegierten Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt mit komplexer Härtung und Heterophasenstruktur, die Produkte der Niedertemperaturzersetzung von Austenit enthalten.
Stähle mit einem Gefüge aus polygonalem Ferrit, Bainit und kleinen Martensitinseln (Restaustenit) weisen ein kontinuierliches Zugdiagramm ohne Streckplateau auf. Im Gegensatz zu Stählen mit Ferrit-Perlit-Gefüge kann es dadurch während des Produktionsprozesses zu einer spürbaren Kaltverfestigung kommen, die eine Erhöhung der Festigkeit des Rohrmetalls im Vergleich zum Werkstück zeigt, was die Einsatzmöglichkeiten von Stählen dieser Klasse erweitert. Durch den Ersatz von Perlit durch Bainit in Gegenwart einer martensitisch-wastenitischen Komponente kann die Fließfläche verringert und die Tendenz zur Ausbildung eines glatten Zugdiagramms erhöht werden. Es ist zu beachten, dass die Reduzierung des Umrechnungsfaktors zu einem großen Teil mit der Wirkung von Eigenspannungen auf der Makroebene zusammenhängt. In dieser Hinsicht ist der Einfluss der Mikrostruktur komplexer, was einer gesonderten Betrachtung bedarf. Bei Platten mit einer Dicke von bis zu 12–15 mm kann das Streckplateau beseitigt werden, sofern das folgende Verhältnis eingehalten wird:
32,5 Mo + 10 (Mn + Cr) +2,5 Ni > 23
Leider sind russische Metallurgen noch nicht vollständig auf die industrielle Herstellung von Blechen und Coils aus Stählen dieser Klasse vorbereitet, während in der weltweiten Praxis des Rohrleitungsbaus bereits Rohre der Präzisionsklassen X100 und X120 verwendet werden.
Es liegt auf der Hand, dass kohlenstoffarme Stähle der neuen Generation, deren Festigkeit durch die Bildung von Niedgewährleistet wird, sich im Vergleich zu Ferrit-Perlit-Stählen mit Dispersion und Unterbauverstärkung durch einzigartige Eigenschaften auszeichnen. Das Eigenschaftsniveau ferritisch-perlitischer Stähle (mit niedrigem Perlitgehalt) wird maßgeblich durch den Grad der Ferritverstärkung durch die Bildung einer Unterstruktur und die Freisetzung von Carbidonitriden, hauptsächlich Vanadium, darin bestimmt.
Abschluss.
In Russland ist in jüngster Zeit ein stetiger Anstieg der Produktion von Stahlrohren zu verzeichnen. Der Verbrauch bestimmter Stahlrohrtypen setzt die Trends der vergangenen Jahre fort: ein Rückgang des Verbrauchs von geschweißten Rohren mit kleinem und mittlerem Durchmesser und ein Anstieg des Verbrauchs von geschweißten Rohren mit großem Durchmesser und nahtlosen Ölrohren, die für die Produktion verwendet werden und Transport von Gas und Öl; Nahtlose Rohre werden weiterhin durch geschweißte Rohre ersetzt, deren Produktion bereits 64 % der gesamten Rohrproduktionsmenge erreicht hat.
In den kommenden Jahren werden russische Hersteller ihre Anlagen aktiv modernisieren, neue Kapazitäten für die Produktion hochwertiger Knüppel und die Produktion von Rohren nach internationalen Standards in Betrieb nehmen.
Die Zukunft der globalen russischen Industrie liegt auf den ausländischen und inländischen Märkten. Auf dem Auslandsmarkt erreicht dieser Anteil bereits bis zu 25 % der im Land produzierten Rohre; Auch auf dem heimischen Markt bestehen gute Aussichten, wenn man die führende Position Russlands bei den Öl- und Gasreserven, die großen Entfernungen für deren Transport und die Umsetzung einer Reihe großer Pipelineprojekte berücksichtigt.
Die Notwendigkeit, die strukturelle Festigkeit von Stählen zu erhöhen, bestimmt den Übergang zu hochpräzisen, wissensintensiven metallurgischen Technologien. Für Rohre hoher Festigkeitsklassen besteht die Aussicht auf kohlenstoffarme Stähle mit komplexer Härtung und Heterophasenstruktur, die Produkte der Niedertemperaturzersetzung von Austenit enthalten, sowie den Einsatz kontrollierter Walztechnologie, die es ermöglicht, optimale Kombinationen von Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten Eigenschaften fertiger Walzprodukte ohne den Einsatz von Wärmebehandlung und mit einem geringeren Verbrauch knapper Legierungszusätze, liegt auf der Hand.
Die Beherrschung der Produktion solcher Produkte erfordert eine qualitative Veränderung der Hauptkapazitäten inländischer metallurgischer Unternehmen auf der Grundlage des Einsatzes moderner Technologien, die in der Weltpraxis weit verbreitet sind.
Referenzliste:
1.Wirtschaftsinformationsagentur „Prime“
2. Analyseportal „Preisüberwachung“
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Da viele Maschinenteile unter Reibungsbedingungen arbeiten und Stoß- und Biegebelastungen ausgesetzt sind, müssen sie eine harte, verschleißfeste Oberfläche, einen starken und gleichzeitig zähflüssigen und plastischen Kern haben. Dies wird durch Oberflächenhärtung erreicht.
Der Zweck der Oberflächenhärtung besteht darin, die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit der Oberflächenschichten von Teilen zu erhöhen und gleichzeitig einen viskosen Kunststoffkern zur Aufnahme von Stoßbelastungen beizubehalten.
In dynamisch und zyklisch beanspruchten Maschinenteilen treten unter dem Einfluss von Zugspannungen Ermüdungsrisse in den Oberflächenschichten auf. Wenn an der Oberfläche Druckeigenspannungen entstehen, werden die Zugspannungen durch Belastungen im Betrieb geringer und die Dauerfestigkeit (Ermüdungsgrenze) steigt. Die Erzeugung von Druckspannungen in den Oberflächenschichten von Teilen ist der zweite Zweck der Oberflächenhärtung.
Die technischen Bedingungen für die Herstellung eines Teils legen die Härte und Tiefe der gehärteten Schicht sowie die Festigkeit und Zähigkeit des Kerns fest.
Die wichtigsten Methoden der Oberflächenhärtung lassen sich in drei Gruppen einteilen:
mechanisch - plastische Verformung der Oberflächenschichten, Entstehung einer Verfestigung (Härtung);
thermisch – Oberflächenhärtung;
chemische und thermische Behandlung (Zementieren, Nitrieren, Verchromen und andere).
3.1. Mechanische Härtung der Oberfläche
Das Härten von Metall unter dem Einfluss kalter plastischer Verformung wird als Kalthärten oder Kalthärten bezeichnet. In diesem Fall verändert sich die Struktur des Metalls: Das Kristallgitter wird verzerrt und die Körner verformen sich, d. h. von gleichachsig werden sie zu nichtgleichachsig (in Form eines Kuchens, Pfannkuchens, Abb. 1). Damit einher geht eine Steigerung der Härte und Festigkeit um das 1,5- bis 3-fache. Druckspannungen, die in der gehärteten Schicht entstehen, erhöhen die Ermüdungsbeständigkeit. Die Härtung der Oberfläche durch plastische Verformung erhöht die Zuverlässigkeit der Teile, verringert die Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentratoren, erhöht die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und beseitigt Spuren früherer Bearbeitung.
Reis. 1. Der Einfluss der plastischen Verformung auf die Mikrostruktur des Metalls:
a – vor der Verformung; b – nach der Verformung
Die meisten Härtevorgänge können auf universellen Metallbearbeitungsmaschinen (Drehmaschinen, Hobelmaschinen, Bohrmaschinen) mit einfach aufgebauten Geräten durchgeführt werden. Diese Härtevorgänge sind am effektivsten für Metalle mit einer Härte von bis zu HB250 – 280.
Rändelung mit Rollen und Kugeln– ein Vorgang, bei dem eine gehärtete Stahlrolle (Kugel), die unter einer bestimmten Belastung (Druck) über die zu härtende Oberfläche rollt, die Oberflächenschicht des Metalls bis zu einer bestimmten Tiefe verformt, d. h. zerdrückt (Abb. 2). Es kommt zur Aushärtung – Aushärtung. Die Tiefe der ausgehärteten Schicht beträgt 0,5 – 2,0 mm. Mit dieser Methode werden hauptsächlich Teile wie rotierende Körper (Wellen, Achsen, Hülsen) oder Teile mit großen ebenen Flächen verstärkt.
Kugelstrahlen– ein Vorgang, bei dem Hartmetallpartikel (Kugel), die mit hoher Geschwindigkeit (90 - 150 m/s) aus einem Strahlgerät fliegen, auf die zu härtende Oberfläche treffen und es zu einer Härtung kommt. Festigkeit, Härte und Dauerfestigkeit werden erhöht. Die Dicke der ausgehärteten Schicht beträgt 0,2 – 0,4 mm. Federn, Federn, Zahnräder, Torsionswellen usw. werden einem Kugelstrahlen unterzogen. Beispielsweise werden Federbleche nach der Wärmebehandlung vor dem Zusammenbau zu einem Paket einem Kugelstrahlen unterzogen, was die Lebensdauer der Feder deutlich erhöht (drei- bis fünfmal). ).
D 
Robustes Strahlen ist der letzte technologische Vorgang für Teile nach mechanischer und Wärmebehandlung. Die Ausrüstung besteht aus Kugelstrahlgeräten. Am gebräuchlichsten sind mechanische Strahlgeräte mit hoher Produktivität. Schrote sind kugelförmige Partikel aus hartem Stahl oder weißem Gusseisen. Das Kugelstrahlen von normalisiertem Stahl der Güteklasse 20 erhöht die Härte um 40 % und von Stahl der Güteklasse 45 um 20 %. Restdruckspannung in der Oberfläche – bis zu 80 MPa.
Reis. 2. Schemata für rollende (a, b) und rollende (c, d) Oberflächen
D 
Robustes Strahlen wird als wirksames Verfahren zur Erhöhung der Lebensdauer von Schmiede- und Gussstahlprodukten sowie zur Verstärkung hochfester Gusseisen eingesetzt.
Am häufigsten kommen diese Härteverfahren im Maschinenbau vor. Darüber hinaus kommen Vibrationswalzen (Abb. 3), Lochkalibrierung (Abb. 4), Diamantglättung usw. zum Einsatz.
Reis. 4. Schemata zum Kalibrieren von Löchern: a – mit einer Kugel; b, c – Dorn
Thermomechanische Bearbeitung von Stahl
Einer der technologischen Prozesse der Härtebehandlung ist Thermomechanische Behandlung (TMT).
Unter thermomechanischer Behandlung versteht man kombinierte Methoden zur Veränderung der Struktur und Eigenschaften von Materialien.
Die thermomechanische Bearbeitung kombiniert plastische Verformung und Wärmebehandlung (Härtung von vorverformtem Stahl im austenitischen Zustand).
Der Vorteil der thermomechanischen Behandlung besteht darin, dass bei deutlicher Festigkeitssteigerung die Duktilitätseigenschaften leicht abnehmen und die Schlagzähigkeit um das 1,5- bis 2-fache höher ist als die Schlagzähigkeit des gleichen Stahls nach dem Abschrecken mit geringer Anlassung.
Abhängig von der Temperatur, bei der die Verformung durchgeführt wird, unterscheidet man zwischen der thermomechanischen Hochtemperaturbehandlung (HTMT) und der thermomechanischen Niedertemperaturbehandlung (LTMT).
Der Kern der thermomechanischen Hochtemperaturbehandlung besteht darin, Stahl auf die Temperatur des austenitischen Zustands zu erhitzen (oben). Eine 3). Bei dieser Temperatur verformt sich der Stahl, was zur Austenitverfestigung führt. Stahl mit diesem Austenitzustand wird einer Härtung unterzogen (Abb. 16.1 a).
Durch die thermomechanische Hochtemperaturverarbeitung wird die Entwicklung einer Anlassversprödung im gefährlichen Temperaturbereich praktisch ausgeschlossen, die irreversible Anlassversprödung abgeschwächt und die Zähigkeit bei Raumtemperatur drastisch erhöht. Die Temperaturschwelle für Kältesprödigkeit sinkt. Die thermomechanische Hochtemperaturbehandlung erhöht die Sprödbruchbeständigkeit und verringert die Rissempfindlichkeit während der Wärmebehandlung.
Reis. 16.1. Schema der thermomechanischen Behandlungsarten von Stahl: a – thermomechanische Hochtemperaturbehandlung (HTMT); b – Thermomechanische Niedertemperaturbehandlung (LTMT).
Die thermomechanische Hochtemperaturbearbeitung kann effektiv für Kohlenstoff-, Legierungs-, Bau-, Feder- und Werkzeugstähle eingesetzt werden.
Um hohe Festigkeitswerte aufrechtzuerhalten, erfolgt ein anschließendes Anlassen bei einer Temperatur von 100...200 °C.
Thermomechanische Niedertemperaturverarbeitung (Ausforming).
Der Stahl wird in einen austenitischen Zustand erhitzt. Dann wird es auf einer hohen Temperatur gehalten, auf eine Temperatur abgekühlt, die über der Temperatur des Beginns der Martensitumwandlung (400...600 °C), aber unter der Rekristallisationstemperatur liegt, und bei dieser Temperatur werden Druckbehandlung und Abschrecken durchgeführt ( Abb. 16.1 b).
Die thermomechanische Behandlung bei niedriger Temperatur führt zwar zu einer höheren Festigkeit, verringert jedoch nicht die Neigung des Stahls zur Anlasssprödigkeit. Darüber hinaus sind hohe Umformgrade (75...95 %) erforderlich, sodass leistungsstarke Geräte erforderlich sind.
Die thermomechanische Niedertemperaturbearbeitung wird auf martensitgehärtete legierte Stähle mit mittlerem Kohlenstoffgehalt angewendet, die die Sekundärstabilität von Austenit aufweisen.
Die Festigkeitssteigerung bei der thermomechanischen Behandlung erklärt sich dadurch, dass durch die Verformung des Austenits seine Körner (Blöcke) zerkleinert werden. Die Abmessungen der Blöcke werden im Vergleich zur konventionellen Härtung um das Zwei- bis Vierfache reduziert. Auch die Versetzungsdichte nimmt zu. Beim anschließenden Abschrecken dieses Austenits bilden sich kleinere Martensitplatten und die Spannungen werden reduziert.
Die mechanischen Eigenschaften nach verschiedenen TMT-Typen für technische Stähle weisen im Durchschnitt die folgenden Merkmale auf (siehe Tabelle 16.1):
Tabelle 16.1. Mechanische Eigenschaften von Stählen nach TMT
Auch bei anderen Legierungen kommt die thermomechanische Bearbeitung zum Einsatz.
Oberflächenhärtung von Stahlteilen
Die strukturelle Festigkeit hängt oft vom Zustand des Materials in den Oberflächenschichten des Teils ab. Eine der Methoden zur Oberflächenhärtung von Stahlteilen ist Oberflächenhärtung.
Durch die Oberflächenhärtung erhöht sich die Härte der Oberflächenschichten des Produkts bei gleichzeitiger Erhöhung der Abriebfestigkeit und Dauerfestigkeit.
Allen Arten der Oberflächenhärtung gemeinsam ist das Erhitzen der Oberflächenschicht des Teils auf die Härtetemperatur und das anschließende schnelle Abkühlen. Diese Methoden unterscheiden sich in den Methoden zum Erhitzen der Teile. Die Dicke der gehärteten Schicht bei der Oberflächenhärtung wird durch die Erwärmungstiefe bestimmt.
Am weitesten verbreitet sind das elektrothermische Härten mit Erhitzen von Produkten mit Hochfrequenzströmen (HFC) und das Gasflammhärten mit Erhitzen mit einer Gas-Sauerstoff- oder Sauerstoff-Kerosin-Flamme.
Härten mit Hochfrequenzströmen.
Die Methode wurde vom sowjetischen Wissenschaftler V. P. Vologdin entwickelt.
Es basiert auf der Tatsache, dass, wenn ein Metallteil in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird, das von einem Leiter-Induktor erzeugt wird, darin Wirbelströme induziert werden, die zu einer Erwärmung des Metalls führen. Je höher die Stromfrequenz, desto dünner ist die ausgehärtete Schicht.
Typischerweise werden Maschinengeneratoren mit einer Frequenz von 50...15000 Hz und Röhrengeneratoren mit einer Frequenz von mehr als 10 6 Hz eingesetzt. Die Tiefe der ausgehärteten Schicht beträgt bis zu 2 mm.
Induktoren bestehen aus Kupferrohren, in denen Wasser zirkuliert, sodass sie sich nicht erhitzen. Die Form des Induktors entspricht der äußeren Form des Produkts, wobei der Spalt zwischen Induktor und Oberfläche des Produkts konstant sein muss.
Das technologische Prozessdiagramm der HDTV-Härtung ist in Abb. dargestellt. 16.2.
Reis. 16.2. Schema des technologischen Prozesses des Hochfrequenzhärtens
Nach dem Erhitzen des Induktors 2 für 3...5 s wird das Teil 1 schnell in eine spezielle Kühlvorrichtung – Zerstäuber 3 – bewegt, durch deren Löcher die Abschreckflüssigkeit auf die erhitzte Oberfläche gesprüht wird.
Eine hohe Heizrate verschiebt Phasenumwandlungen zu höheren Temperaturen. Die Härtetemperatur beim Erhitzen mit Hochfrequenzströmen sollte höher sein als beim konventionellen Erhitzen.
Unter den richtigen Erwärmungsbedingungen wird nach dem Abkühlen die Struktur von feinnadeligem Martensit erhalten. Die Härte erhöht sich im Vergleich zur konventionellen Härtung um 2...4 HRC, die Verschleißfestigkeit und die Dauerfestigkeit steigen.
Vor dem Härten mit Hochfrequenzwärme wird das Produkt einer Normalisierung und nach dem Härten einem niedrigen Anlassen bei einer Temperatur von 150 bis 200 °C (Selbstaushärtung) unterzogen.
Diese Methode empfiehlt sich am besten für Stahlprodukte mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,4 %.
Vorteile der Methode:
· höhere Effizienz, es ist nicht erforderlich, das gesamte Produkt zu erhitzen;
· höhere mechanische Eigenschaften;
· Keine Entkohlung und Oxidation der Oberfläche des Teils;
· Reduzierung von Verzugsfehlern und der Bildung von Härterissen;
· Möglichkeit der Prozessautomatisierung;
· der Einsatz von Hochfrequenzhärten ermöglicht den Ersatz legierter Stähle durch günstigere Kohlenstoffstähle;
· ermöglicht das Härten einzelner Teile des Bauteils.
Der Hauptnachteil der Methode– hohe Kosten für Induktionsanlagen und Induktoren.
Es empfiehlt sich der Einsatz in der Serien- und Massenproduktion.
Gasflammhärten.
Die Erwärmung erfolgt mit einer Acetylen-Sauerstoff-, Gas-Sauerstoff- oder Kerosin-Sauerstoff-Flamme mit einer Temperatur von 3000...3200 °C.
Die Struktur der Randschicht besteht nach dem Härten aus Martensit, Martensit und Ferrit. Die Dicke der gehärteten Schicht beträgt 2...4 mm, die Härte 50...56 HRC.
Das Verfahren wird zum Härten großer Produkte mit komplexer Oberfläche (Schrägräder, Schnecken) sowie zum Härten von Walzrollen aus Stahl und Gusseisen verwendet. Wird in der Massen- und Einzelfertigung sowie für Reparaturarbeiten eingesetzt.
Beim Erhitzen großer Produkte bewegen sich Brenner und Kühlgeräte entlang des Produkts oder umgekehrt.
Nachteile der Methode:
· geringe Produktivität;
· Schwierigkeiten bei der Regulierung der Tiefe der ausgehärteten Schicht und der Heiztemperatur (Möglichkeit einer Überhitzung).
Altern
Das Anlassen wird auf Legierungen angewendet, die durch eine polymorphe Umwandlung abgeschreckt wurden.
Gilt für Materialien, die einer Härtung ohne polymorphe Umwandlung unterzogen werden. Altern.
Das Härten ohne polymorphe Umwandlung ist eine Wärmebehandlung, die den für die Legierung bei höheren Temperaturen charakteristischen Zustand (übersättigte feste Lösung) bei einer niedrigeren Temperatur fixiert.
Altern– Wärmebehandlung, bei der der Hauptprozess die Zersetzung einer übersättigten festen Lösung ist.
Durch Alterung verändern sich die Eigenschaften gehärteter Legierungen.
Im Gegensatz zum Anlassen nehmen nach dem Altern Festigkeit und Härte zu und die Duktilität ab.
Die Alterung von Legierungen ist mit einer unterschiedlichen Löslichkeit der überschüssigen Phase verbunden, und die Aushärtung während der Alterung erfolgt als Folge der Dispersionsausfällung während der Zersetzung einer übersättigten festen Lösung und der daraus resultierenden inneren Spannungen.
Bei Alterungslegierungen erfolgt die Ausfällung aus festen Lösungen in folgenden Hauptformen:
· dünnblechig (scheibenförmig);
· gleichachsig (sphärisch oder kubisch);
· nadelförmig.
Die Form der Ausscheidungen wird durch konkurrierende Faktoren bestimmt: Oberflächenenergie und elastische Verformungsenergie, die zu einem Minimum tendieren.
Die Oberflächenenergie ist für gleichachsige Niederschläge minimal. Die Energie elastischer Verformungen ist bei Niederschlägen in Form dünner Platten minimal.
Der Hauptzweck der Alterung besteht darin, die Festigkeit zu erhöhen und die Eigenschaften zu stabilisieren.
Beim Altern wird zwischen natürlicher, künstlicher und nach plastischer Verformung erfolgender Alterung unterschieden.
Natürliche Alterung ist eine spontane Zunahme der Festigkeit und Abnahme der Duktilität einer gehärteten Legierung, die auftritt, wenn sie bei normaler Temperatur ausgesetzt wird.
Durch Erhitzen der Legierung wird die Beweglichkeit der Atome erhöht, was den Prozess beschleunigt.
Als Festigkeitszunahme bei Einwirkung erhöhter Temperaturen wird bezeichnet künstliche Alterung.
Zugfestigkeit, Streckgrenze und Härte der Legierung nehmen mit zunehmender Alterungsdauer zu, erreichen ein Maximum und nehmen dann ab (Phänomen der Überalterung).
Bei der natürlichen Alterung kommt es nicht zu einer Überalterung. Mit zunehmender Temperatur wird das Überalterungsstadium früher erreicht.
Wird eine ausgehärtete Legierung mit der Struktur einer übersättigten festen Lösung einer plastischen Verformung unterzogen, so werden auch die bei der Alterung ablaufenden Prozesse beschleunigt – das heißt Belastungsalterung.
Die Alterung umfasst alle Prozesse, die in einer übersättigten festen Lösung ablaufen: Prozesse, die die Trennung vorbereiten, und die Trennungsprozesse selbst.
Für die Praxis ist die Inkubationszeit von großer Bedeutung – die Zeit, in der in einer ausgehärteten Legierung vorbereitende Prozesse ablaufen, bei denen eine hohe Plastizität erhalten bleibt. Dies ermöglicht eine Kaltverformung nach dem Abschrecken.
Finden im Alter nur Ausscheidungsvorgänge statt, spricht man von diesem Phänomen Dispersionshärtung.
Nach der Alterung steigt die Festigkeit und die Duktilität kohlenstoffarmer Stähle nimmt aufgrund der verteilten Ausscheidung von tertiärem Zementit und Nitriden im Ferrit ab.
Die Alterung ist die wichtigste Methode zur Verstärkung von Aluminium- und Kupferlegierungen sowie vielen Hochtemperaturlegierungen.
Kaltbearbeitung von Stahl
Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt und viele legierte Stähle weisen eine Temperatur am Ende der martensitischen Umwandlung auf (M bis) unter 0 °C. Daher wird in der Stahlstruktur nach dem Härten eine erhebliche Menge an Restaustenit beobachtet, was die Härte des Produkts verringert und auch die magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Um Restaustenit zu eliminieren, erfolgt eine zusätzliche Abkühlung des Bauteils im Bereich negativer Temperaturen auf eine Temperatur unterhalb von t. M k(- 80 °C). Üblicherweise wird hierfür Trockeneis verwendet.
Diese Verarbeitung wird aufgerufen Kaltbearbeitung von Stahl.
Unmittelbar nach dem Abschrecken muss eine Kältebehandlung durchgeführt werden, um eine Stabilisierung des Austenits zu verhindern. Der Härteanstieg nach der Kaltbehandlung beträgt in der Regel 1...4 HRC.
Nach der Kaltbehandlung wird der Stahl einem geringen Anlassen unterzogen, da durch die Kaltbehandlung keine inneren Spannungen abgebaut werden.
Teile von Kugellagern, Präzisionsmechanismen und Messgeräten werden einer Kältebehandlung unterzogen.
Verfestigung durch plastische Verformung
Der Hauptzweck mechanischer Oberflächenhärtungsverfahren besteht in der Erhöhung der Dauerfestigkeit.
Methoden der mechanischen Härtung – Härtung der Oberflächenschicht bis zu einer Tiefe von 0,2...0,4 mm.
Zu den Varianten gehören Kugelstrahlen und Walzenbearbeitung.
Kugelstrahlen – Schussbearbeitung der Oberfläche von Fertigteilen.
Die Durchführung erfolgt mit speziellen Strahlanlagen, die Stahl- oder Gusseisenstrahlen auf die Oberfläche der zu bearbeitenden Teile schleudern. Schussdurchmesser – 0,2…4 mm. Durch Schusseinschläge kommt es zu einer plastischen Verformung bis zu einer Tiefe von 0,2...0,4 mm.
Wird zur Verstärkung von Teilen in Nuten und Vorsprüngen verwendet. Produkte wie Federn, Federn, Kettenglieder, Schienen, Laufbuchsen, Kolben und Zahnräder werden der Belastung ausgesetzt.
Bei Walzenverarbeitung Die Verformung erfolgt durch Andrücken einer Hartmetallwalze an die Werkstückoberfläche.
Wenn die auf die Walze wirkenden Kräfte die Streckgrenze des zu verarbeitenden Materials überschreiten, erfolgt die Aushärtung bis zur erforderlichen Tiefe. Die Verarbeitung verbessert die Mikrogeometrie. Die Entstehung von Druckeigenspannungen erhöht die Ermüdungsgrenze und Haltbarkeit des Produkts.
Das Rollenwalzen wird bei der Bearbeitung von Wellenzapfen, Draht und beim Kalibrieren von Rohren und Stangen eingesetzt.
Es ist keine spezielle Ausrüstung erforderlich; es können Drehmaschinen oder Hobelmaschinen verwendet werden.
Tabelle 1.3.5.1
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Stärkung durch physikalische und physikalisch-chemische Methoden
Um die Verschleißfestigkeit und Oberflächenhärte von Maschinenteilen, die bei erhöhten Temperaturen in Inertgasen betrieben werden, sowie die Hitzebeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche zu erhöhen, wird die Härtung mittels Elektrofunkenverfahren eingesetzt. Bei dieser Methode wird die Oberflächenschicht des Metalls des Produkts (Kathode) mit dem Material der Elektrode (Anode) während einer Funkenentladung in einer Luftumgebung legiert. Durch chemische Reaktionen des Legierungsmetalls mit Stickstoff, Kohlenstoff und dem Metall des Teils bilden sich in den Oberflächenschichten verfestigende Strukturen und komplexe chemische Verbindungen und es entsteht eine diffusionsverschleißfeste gehärtete Schicht mit hoher Härte. Zum Aufbringen mehrschichtiger Beschichtungen werden Ionenplasma-Verarbeitungsverfahren eingesetzt.
Verstärkung durch plastische Verformungsverfahren
Das Härten wird mit dem Ziel durchgeführt, die Ermüdungsbeständigkeit und Härte der Oberflächenschicht des Metalls zu erhöhen und darin gerichtete innere Spannungen, hauptsächlich Druckspannungen, sowie eine regulierte Entlastung der Mikrorauheit auf der Oberfläche zu bilden.
Die Härtungsbehandlung durch plastische Oberflächenverformung wird effektiv bei den Endbearbeitungsvorgängen des technologischen Prozesses zur Herstellung von Maschinenteilen anstelle der Endbearbeitungsvorgänge durch Schneiden mit Klingen oder Schleifwerkzeugen eingesetzt.
Als Kalthärtung wird eine plastische Oberflächenverformung bezeichnet, die ohne den Einsatz von äußerer Wärme durchgeführt wird und die Schaffung der angegebenen Eigenschaften der Oberflächenschicht gewährleistet.
Die Metallschicht, in der diese Eigenschaften auftreten, wird dementsprechend als kaltverformt bezeichnet.
Durch die Kalthärtung erhöhen sich alle Eigenschaften des Verformungswiderstands des Metalls, seine Duktilität nimmt ab und seine Härte nimmt zu.
Je weicher der Stahl, desto höher ist die Härtungsintensität; Bei ungehärteten Stählen ist durch Oberflächenverformung eine Härtesteigerung von mehr als 1000 % möglich, bei gehärteten Stählen nur um 10-15 %. Der Härteanstieg wird durch die Struktur des verformten Stahls bestimmt.
Die Härtung der Oberfläche erfolgt durch Beschuss mit einem Strahl aus Stahl- oder Gusseisenkugeln, Kugeln oder einer Suspension, die abrasive Partikel enthält; Rollen mit Rollen, Kugeln oder einem rotierenden Werkzeug, Jagen.
Das Kugelstrahlen sorgt für eine flache plastische Verformung von bis zu 0,5–0,7 mm. Wird für Oberflächen kleiner Teile mit komplexen Formen sowie für Teile mit geringer Steifigkeit wie Federn, Blattfedern usw. verwendet.
Meist wird Stahlschrot mit einem Durchmesser von 0,8-2 mm verwendet. Die Einhärtetiefe beim Kugelstrahlen beträgt nicht mehr als 0,8 mm.
Die Oberfläche des Teils erhält eine gewisse Rauheit und unterliegt keiner weiteren Bearbeitung.
Der Bearbeitungsmodus wird durch die Schussvorschubgeschwindigkeit, den Schussverbrauch pro Zeiteinheit und die Belichtung – die Zeit, in der die behandelte Oberfläche den Schusseinschlägen ausgesetzt ist – bestimmt. Die Oberfläche des Teils muss vollständig mit Dellen bedeckt sein.
Die Oberflächenhärte des verarbeiteten Materials und die Tiefe der plastischen Verformung hängen von den Härtungsmodi, den physikalischen und mechanischen Eigenschaften, der Struktur und der chemischen Zusammensetzung des Materials ab. Den größten Einfluss auf die Oberflächenhärte haben der spezifische Druck des Verformungselements im Kontakt mit dem Werkstück und die Häufigkeit der Anwendung dieses Drucks. Das Überschreiten des maximal zulässigen Drucks oder der Anzahl der Belastungszyklen geht mit einem Stopp des Härtewachstums und dessen Abnahme aufgrund der Aushärtung einher, d. h. mit einer Zerstörung der Oberflächenschicht des Metalls aufgrund der erreichten Grenze der plastischen Verformung seines Kristallgitters .
Zum Härten von Produkten mit einer Härte bis zu HRC65 wird das Diamant-Glättverfahren eingesetzt. Es kann abschließende Schleif- und Oberflächenpoliervorgänge ersetzen. Die Methode ist weitgehend universell. Es eignet sich für die Bearbeitung von stahlgehärteten und nicht thermisch gehärteten Teilen mit und ohne Oberflächenbeschichtung sowie von Teilen aus Nichteisenmetallen und -legierungen.
Die Härtung der Oberflächenschicht mit einem Suspensionsstrahl (Flüssigkeit + Schleifpartikel) wird in Fällen verwendet, in denen die größte Tiefe der gehärteten Schicht erforderlich ist.
Durch die Verstärkung mit Explosionsenergie können die Verschleißfestigkeit beim Abrieb, die Härte der Oberflächenschicht, Festigkeits- und Streckgrenzen, die statische Festigkeit (von Schweißverbindungen infolge der Durchverfestigung der Schweißnaht und der Wärmeeinflusszone), die zyklische Festigkeit erhöht und verbessert werden die Qualität der Oberflächenschicht des Metalls.
Die Verfestigung unter Impulsbelastungen durch Explosion unterscheidet sich deutlich von der Verfestigung unter Normalbedingungen.
Bei einem Aufprall mit der mit einer Explosion verbundenen höheren Geschwindigkeit nimmt der Verhärtungseffekt mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit zu. Im Metall können lokal hohe Temperaturen auftreten, die lokal zu Phasenumwandlungen führen. Gleichzeitig laufen Prozesse ab, die dem Härten bei normalen Dehnungsgeschwindigkeiten innewohnen, wie z. B. Zwillingsbildung, Scherung und Fragmentierung.
Die Oberflächen der Klingen werden nach der abschließenden mechanischen und Wärmebehandlung einer Härtung unterzogen.
Durch die Verstärkung eines Teils mit Mikroperlen können Sie:
a) eine dünne Härtung an Teilen erzeugen, die scharfe Kanten oder kleine Radien von Kehlvertiefungen und Rillen haben;
b) Beseitigung möglicher Zugeigenspannungen nach mechanischer Behandlung in der Oberflächenschicht und Erzeugung von Druckeigenspannungen;
c) die Oberflächenhärte erhöhen;
d) die Ausdauergrenze erhöhen und stabilisieren;
e) Erhöhung der Oberflächenreinheit um eine oder zwei Klassen auf 0,63 ...0,32
Unter den Härtetechnologien nimmt das Ultraschallhärten eine Sonderstellung ein. Die Verstärkung von Metall durch Ultraschallbearbeitung weist eine Reihe von Merkmalen auf: Schnelligkeit, hohe Effizienz und die Möglichkeit, Produkte zu verarbeiten, die mit anderen Methoden nicht gehärtet werden können. Darüber hinaus kann die Kombination von Ultraschall mit einer anderen Härtungsbehandlung häufig deren Wirksamkeit steigern. Zu den Vorteilen der Ultraschallhärtung gehört auch die Möglichkeit, für eine bestimmte Teileklasse sowie deren Kombinationen eine Oberflächen- und Volumenhärtung zu erzeugen. In diesem Fall wird eine günstige Verteilung der inneren Spannungen im Metall und ein Strukturzustand erreicht, in dem es möglich ist, die Sicherheitsmargen von Teilen, die unter wechselnden Belastungen arbeiten, um das 2- bis 3-fache zu erhöhen und ihre Lebensdauer um das Zehnfache zu erhöhen.
Die Ultraschall-Härtungsbehandlung kann entweder in einer Flüssigkeit durchgeführt werden, in der sich Ultraschallschwingungen ausbreiten, oder mit Hilfe von Verformungskörpern, die mit Ultraschallfrequenz schwingen.
Der Ultraschallwellenprozess in einer Flüssigkeit geht mit dem Auftreten einer größeren Anzahl von Brüchen in Form von winzigen Bläschen während der Dehnungshalbperiode und ihrem Zusammenbruch während der Kompressionshalbperiode einher – Kavitation. In dem Moment, in dem die Blasen kollabieren, entsteht ein lokaler momentaner Druck, der Hunderte von Atmosphären erreicht. Kavitationsblasen entstehen hauptsächlich auf der Oberfläche von in Flüssigkeit eingelegten Produkten. Wenn die Blasen kollabieren, kommt es zu einer Verhärtung der Oberfläche des Teils. Die Einhärtetiefe, die Härte und damit die Verschleißfestigkeit der gehärteten Schicht.
Das Ultraschallhärten von Teilen mit Verformungskörpern kann nach zwei technologischen Schemata durchgeführt werden:
a) durch direktes Auftreffen des Werkzeugs auf die zu behandelnde Oberfläche;
b) Einwirkung des Arbeitsmediums (Stahlkugeln) auf die behandelte Oberfläche.
Viele Teile unterliegen erhöhtem Oberflächenverschleiß. Daher besteht die Notwendigkeit, diese Oberfläche irgendwie zu schützen. Dies wird durch Oberflächenhärtungsmethoden erreicht.
Eine Oberfläche zu härten bedeutet, die Eigenschaften der Oberfläche zu erhöhen: Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit. Wenn es notwendig ist, die Eigenschaften zu ändern, bedeutet dies, dass sich die Struktur der Oberflächenschicht ändern muss. Um die Struktur zu verändern, können Sie Verformung, Wärmebehandlung mit Erwärmung auf verschiedene Weise, Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche und Aufbringen von Schutzschichten nutzen.
Meistens Methoden zur Oberflächenhärtung lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen:
1) Verfestigung des Produkts ohne Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche, jedoch mit Veränderung der Struktur. Die Härtung wird durch Oberflächenhärtung, plastische Oberflächenverformung und andere Methoden erreicht.
2) Verstärkung des Produkts durch Änderung der chemischen Zusammensetzung der Oberflächenschicht und ihrer Struktur. Die Verstärkung erfolgt durch verschiedene Methoden der chemisch-thermischen Behandlung und das Aufbringen von Schutzschichten.
Methoden zur Strukturänderung
Von den Härtungsverfahren ohne Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche, aber mit Veränderung ihrer Struktur sind die Oberflächenhärtung und andere die gebräuchlichsten Arten der plastischen Oberflächenverformung (SPD).
Im Wesentlichen ist die Oberflächenverformung die einfachste Art und Weise, wie sich die Festigkeitseigenschaften einer Oberfläche erhöhen. Dabei kommt folgendes Prinzip zur Anwendung. Wenn wir uns an die Kaltverfestigungskurve erinnern, stellt sich heraus, dass die Zugkraft P max umso größer ist, je stärker wir das Metall dehnen, je mehr Widerstand es leistet (natürlich bis zu einer bestimmten Grenze). Das Metall wird sowohl bei Torsion als auch bei Kompression gestärkt. Bei SPD-Technologien wird die Oberflächenschicht des Metalls auf verschiedene Weise verformt (gehärtet).
Der Hauptzweck von PPD besteht darin, die Ermüdungsfestigkeit durch eine Härtung der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 0,2–0,4 mm zu erhöhen. PPD-Varianten sind Kugelstrahlen, Walzenbearbeitung, Nadelfräsen, Hinterwalzen usw.
Kugelstrahlen- Schussbearbeitung der Oberfläche fertiger Teile. Wird zum Härten von Teilen und zum Entfernen von Zunder verwendet. Produkte wie Federn, Blattfedern, Kettenglieder, Schienen, Laufbuchsen, Kolben und Zahnräder werden dem Kugelstrahlen unterzogen.
Bei der Bearbeitung mit Walzen erfolgt die Verformung durch Andrücken einer Hartmetallwalze an die Werkstückoberfläche. Wenn die auf die Walze wirkenden Kräfte die Streckgrenze des zu verarbeitenden Materials überschreiten, erfolgt die Aushärtung bis zur erforderlichen Tiefe.
Walzenverarbeitung verbessert die Mikrogeometrie des Produkts. Die Entstehung von Druckeigenspannungen erhöht die Ermüdungsgrenze und Haltbarkeit des Produkts. Das Rollenwalzen wird bei der Bearbeitung von Wellen, dem Kalibrieren von Rohren und Stangen eingesetzt. In Abb. Abbildung 1 zeigt die gehärtete Oberflächenschicht einer Probe einer Stahlachse eines Eisenbahnwaggons aus Stahl 45. Die Mikrostruktur der Schicht besteht aus deformierten Ferrit- und Perlitkörnern. Das Walzen mit einer Walze verfeinerte die Struktur, in der Oberflächenschicht sind einzelne Körner nicht mehr zu unterscheiden (Abb. 1, a). Wo die Verformung geringer war, ist es möglich, eine Struktur zu unterscheiden, die eine für die Verformung charakteristische Richtungscharakteristik aufweist (Abb. 1, b). Die Härtetiefe wird durch Änderungen der Mikrohärte gesteuert (Abb. 2).
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Abbildung 1. Mikrostruktur der Oberflächenschicht von Stahl 45 nach dem Walzen mit einer Walze
Abbildung 2. Variation der Mikrohärte entlang der Tiefe des Querschnitts von Wellen mit unterschiedlichen Durchmessern.
Das Nadelfräsen mit Fräsern, auf deren Oberfläche sich 200.000 bis 40 Millionen dicht beieinander liegende Nadeln aus hochfestem Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,2 bis 0,8 mm befinden, ermöglicht auch eine Härtung der Oberfläche von Teilen. Es kommt Nadelfräsen zum Einsatz zur Bearbeitung von ebenen und zylindrischen Flächen sowie zum Reinigen von Teilen von Zunder. Beim Nadelfräsen entsteht zusätzlich eine gehärtete Oberflächenschicht (Abb. 3). In diesem Fall besteht die verstärkte Schicht aus deformierten Ferrit- und Perlitkörnern (Abb. 3, a). Auf der bearbeiteten Oberfläche sind Spuren des Fräsers sichtbar (Abb. 3, b).
Abbildung 3. Mikrostruktur der verstärkten Stahlschicht 20ХНР (a), Ausgangszustand - Normalisierung; Oberfläche nach dem Nadelfräsen (b).
Das Wesen der Oberflächenhärtung besteht darin, dass die Oberflächenschichten eines Stahlteils schnell über die Härtungstemperatur erhitzt und dann mit einer Geschwindigkeit über den kritischen Wert abgekühlt werden. Der Hauptzweck der Oberflächenhärtung: Erhöhung der Härte, Verschleißfestigkeit und Dauerfestigkeit der Oberfläche unter Beibehaltung eines viskosen Kerns. Die Erwärmung kann grundsätzlich auf unterschiedliche Weise erfolgen. In der Industrie ist die Induktionshärtung mit Erwärmung durch Hochfrequenzströme die gebräuchlichste Methode der Oberflächenhärtung. In der Regel ist die verstärkte Schicht bereits bei der Makrostrukturanalyse sichtbar (Abb. 4). Links ist ein ungeätzter Ausschnitt der Probe zu sehen. Es reflektiert das Licht beim Fotografieren stärker, sodass es dunkel aussieht. Rechts ist der Bereich nach dem Ätzen. Die ausgehärtete Schicht ist deutlich sichtbar.
Abbildung 4. Fragment eines Autoteils; Makrostruktur
Sowohl die makrostrukturelle als auch die mikrostrukturelle Analyse (Abb. 5a) zeigt, dass die verstärkte Zone aus zwei Schichten besteht: hell an der Oberfläche und dann dunkler. Die obere helle Schicht hat die Struktur von abgeschrecktem Martensit (Abb. 5b). Martensit bildete sich, als die Oberfläche schnell abkühlte. Die dunklere Schicht ist angelassener Martensit (Abb. 5c). Dabei handelt es sich um den Martensit, der sich ebenfalls beim beschleunigten Abkühlen bildete, aber länger bei einer erhöhten Temperatur verblieb, was sich als ausreichend für das Anlassen erwies. Der Kern des Teils kann in unterschiedlichen Tiefen Sorbitol oder Troostit enthalten (Abb. 5d).
Abbildung 5. Mikrostruktur der Schicht (in Abb. 4), die durch Hochfrequenzabschrecken erhalten wurde: a – Schichten aus abgeschrecktem und angelassenem Martensit, b – abgeschreckter Martensit, c – angelassener Martensit, d – Troostit und Martensit im Kern.
Methoden zur Änderung von Struktur und Zusammensetzung
Zu den Methoden der Härtung mit Veränderung der chemischen Zusammensetzung und Struktur der Oberfläche gehört die chemisch-thermische Behandlung (CHT). Dabei wird die Oberflächenschicht des Stahls bei hoher Temperatur mit verschiedenen Elementen gesättigt. Abhängig vom Sättigungselement gibt es folgende Arten der chemisch-thermischen Behandlung: Aufkohlung, Nitrierung, Nitrocarburierung (Cyanidierung), Boridierung, Diffusionsmetallisierung(Alitisieren, Verchromen, Silikonisieren usw.). Allen Arten der Oberflächenhärtung gemeinsam ist eine Erhöhung der Härte der Oberflächenschicht. Die Wahl der Oberflächenhärtungsmethode für ein Teil hängt von seinen Betriebsbedingungen, seiner Form, Größe, der Güte des ausgewählten Stahls und anderen Faktoren ab.
Am häufigsten verwendet Aufkohlung – Sättigung der Stahloberfläche mit Kohlenstoff. Durch die Aufkohlung erhält die Stahloberfläche eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, während gleichzeitig ein zäher und duktiler Kern erhalten bleibt. Zementierte Produkte erhalten ihre endgültigen Eigenschaften nach dem Aushärten und niedrigen Anlassen. Die Zementierung wird in der Regel an Teilen aus Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,25 % durchgeführt, die unter Kontaktverschleiß und Wechselbelastungen betrieben werden: mittelgroße Zahnräder, Buchsen, Kolbenbolzen, Nocken, Getriebewellen von Autos, einzelne Lenkungsteile usw. d.
Die zementierte Schicht weist über ihre gesamte Dicke hinweg eine variable Kohlenstoffkonzentration auf, die von der Oberfläche bis zum Kern des Stahlteils abnimmt. Daher weist die Struktur, die während der Zementierung in der Oberflächenschicht entsteht, ein unterschiedliches Verhältnis von Perlit, Ferrit und Zementit auf. Es gibt vier Hauptzonen eines Stahlprodukts nach der Aufkohlung (Abb. 6):
Reis. 6. Mikrostruktur des untereutektoiden Kohlenstoffstahls 10 nach der Aufkohlung.
1 - hypereutektoide Zone, bestehend aus Perlit- und Zementitnetz (Abb. 7a);
2 - eutektoide Zone, bei der es sich um Perlit handelt (Abb. 7b);
3 - untereutektoide Zone, in der mit zunehmender Annäherung an den Kern die Menge an Kohlenstoff und Perlit abnimmt und die Menge an Ferrit zunimmt (Abb. 7c);
4 - Original, ohne Änderungen nach der Aufkohlung, Struktur des Stahlprodukts.
Als Tiefe der zementierten Schicht „h“ wird die Summe aus der übereutektoiden, eutektoiden und der Hälfte der untereutektoiden Zone angenommen, wobei der Anteil an Ferrit und Perlit jeweils 50 % beträgt.
Abbildung 7. Struktur der Zonen eines zementierten Teils: a – übereutektoide Zone (Zementit + Perlit), b – eutektoide Zone (Perlit), c – untereutektoide Zone (Perlit + Ferrit).
Abbildung 8. Härteänderung in der Oberflächenschicht nach Aufkohlung und Wärmebehandlung
Nitrieren ist der Prozess der Sättigung der Oberflächenschicht von Stahl mit Stickstoff und wird am häufigsten bei Temperaturen von 500–600 °C durchgeführt. Nitrieren erhöht ebenso wie Aufkohlen die Härte und Verschleißfestigkeit der Stahloberfläche. Abbildung 9 zeigt eine Reihe von Eindrücken bei der Messung der Mikrohärte an einem Querschnitt einer nitrierten Probe. Oben befindet sich eine verhärtete Schicht (dunkler Streifen). Der Durchmesser der Abdrücke nimmt mit zunehmender Annäherung an die Oberfläche ab. Dort ist die Härte höher.
Abbildung 9. „Spur“ von Mikrohärteeindrücken; Stahlteil nach dem Nitrieren
Die nitrierte Schicht ist in der Regel weiß. Die Schicht selbst verändert sich beim metallografischen Ätzen nicht und unter dem Stahl weist eine Struktur auf, die einer Wärmebehandlung entspricht (Abb. 10). Abbildung 11 zeigt ein Automobilteil und die Veränderung der Mikrohärte entlang verschiedener „Zähne“.
Abbildung 10. Nitrierte Schicht auf 40KhGNM-Stahl
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Abbildung 11. Automobilteil (a) und Änderung der Mikrohärte (b) seiner Oberflächenschicht nach dem Nitrieren
Derzeit wird häufig Plasma- und Ionen-Plasma-Nitrieren eingesetzt. Die Struktur der Oberflächenschicht besteht nach einer solchen Behandlung aus fein verteiltem Martensit (1), unter dem sich eine Übergangszone (2) befindet; die unveränderte Struktur (3) liegt tiefer (Abb. 12).
Abbildung 12. Struktur der Oberflächenschicht nach Behandlung mit Stickstoffplasma; U8A-Stahl
Borieren ist ein Prozess der chemisch-thermischen Behandlung, der Diffusionssättigung der Oberfläche von Metallen und Legierungen mit Bor beim Erhitzen. Das Borieren führt zu einer deutlichen Erhöhung der Oberflächenhärte. Die Borierung erfolgt in Pulvermischungen durch Elektrolyse. Es gibt auch flüssiges elektrolysefreies Borieren, Ionenboridieren und Boridieren aus Beschichtungen (Pasten). Die Boridierung erfolgt am häufigsten durch Elektrolyse von geschmolzenem Borax (Na 2 B 4 O 7). Das Produkt dient als Kathode. Sättigungstemperatur 930–950 °C, Einwirkzeit 2–6 Stunden.
Nach dem Borieren bildet sich auf der Oberfläche der Probe eine dichte weiße Boridschicht (Abb. 13). Die weiße Schicht besteht aus ineinander verschlungenen Stengelkristallen der Zusammensetzung FeB und Fe 2 B. Die Struktur der Boridschicht wird durch die Zusammensetzung des Stahls beeinflusst. Bei Stahl 25KhGT (Abb. 13, a) und bei Stahl 45 (Abb. 13, b) gibt es zwischen den Boridkristallen eine Mischkristallzone. Bei Stahl 40X (Abb. 13, c) besteht die Schicht nur aus verlängerten Boridnadeln. Zwischen der borierten Schicht und dem Kern bildet sich eine Zickzack-Grenzfläche.
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Abbildung 13. Struktur borierter Schichten in den Stählen 25KhGT (a), 45 (b), 40Kh (c)
